Алюминий AlSi7Mg: состав, свойства, маркировка состояния и области применения

Общий обзор

AlSi7Mg — алюминиево-кремниево-магниевый сплав, относящийся к семейству литейных сплавов Al–Si. Обычно он используется в литейном производстве и при изготовлении деталей методом давления или гравитационного литья под обозначением EN AC‑AlSi7Mg. Этот сплав занимает нишу литейных алюминиевых сплавов, а не деформируемых сплавов серий 2xxx–7xxx, и чаще всего сравнивается с марками A356/A357 согласно североамериканской практике.

Основным легирующим элементом является кремний (~6,5–7,5 мас.%), магний выступает в роли вторичного легирующего элемента (~0,2–0,5 мас.%), а также содержатся незначительные количества Fe, Cu, Mn, Ti и прочих элементов в виде контролируемых примесей или микро легирующих добавок. Упрочнение достигается в основном за счёт тёплового воздействия (солюшн тремент) с последующим старением и выделением интерметаллидов Mg2Si (термоупрочняемый сплав); структуру при затвердевании и расстояние между вторичными ветвями дендритов также существенно влияют на прочность в отливке.

Ключевые характеристики включают отличную литьёвость и текучесть для сложных геометрий, хорошее сочетание прочности и пластичности после термообработок типа T6, разумную коррозионную стойкость в атмосферных условиях и высокую теплопроводность по сравнению со многими другими алюминиевыми сплавами. Свариваемость и пластичность умеренные: литейные сплавы свариваются при применении соответствующих технологий, но имеют меньшую пластичность в отливке по сравнению с деформируемыми сплавами, что ограничивает возможности холодной деформации.

Основные отрасли применения — автомобильная промышленность (каркасы конструкций, корпуса, колёсные диски и детали подвески), общие машиностроение, насосы и клапаны, морская техника, а также некоторые электронные корпуса и литые теплоотводящие элементы. Инженеры выбирают AlSi7Mg, поскольку он обеспечивает баланс литейных свойств и прочности после термообработки, оставаясь при этом экономически выгодным вариантом по сравнению с более высоколегированными или деформируемыми сплавами, а также благодаря предсказуемой и воспроизводимой характеристике литейного процесса.

Варианты термообработки

Термообработка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокая	Отличная (в рамках литейных сплавов)	Отличная	Полное отжиг или снятие внутреннего напряжения в состоянии отливки; максимальная пластичность, минимальная прочность
T4	Низкая–средняя	Средняя–высокая	Хорошая	Хорошая	Солюшн тремент с естественным старением; промежуточная прочность с лучшей пластичностью, чем у T6
T5	Средняя	Средняя	Удовлетворительная	Хорошая	Охлаждение после литья и искусственное старение; часто применяется для быстроизготовляемых деталей
T6	Высокая	Средняя	Удовлетворительная–низкая	Умеренная	Солюшн тремент, закалка и искусственное старение; максимальная твёрдость и прочность для расчётных задач
T7	Средне–высокая	Средняя	Удовлетворительная	Умеренная	Пересстаренное состояние для улучшения термической стабильности и снижения подверженности коррозии под напряжением
F	Переменная	Переменная	Переменная	Переменная	В состоянии после изготовления без специального контроля термообработки; свойства зависят от технологического процесса

Выбор термообработки контролирует микроструктуру: солюшн тремент растворяет растворимые фазы и гомогенизирует матрицу, а искусственное старение вызывает выделение мелких частиц Mg2Si, повышая предел текучести и временное сопротивление разрыву. Состояния отливки (O/F) обеспечивают максимальную пластичность и формуемость для ограниченного формообразования, тогда как T6 даёт пиковую прочность ценой некоторого снижения вязкости и пластичности.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	6,5–7,5	Основной легирующий элемент; улучшает текучесть и снижает усадку; формирует эвтектические фазы
Fe	0,1–0,6	Примесь; повышенное содержание Fe способствует образованию хрупких интерметаллидов (β‑Al5FeSi), снижающих пластичность
Mn	0,05–0,35	Контролирует морфологию железистых интерметаллидов; малые добавки улучшают микроструктуру
Mg	0,2–0,5	Элемент упрочнения (Mg2Si); влияет на отклик при старении
Cu	0,05–0,2	Ограничивается; повышает прочность, но при повышенных концентрациях уменьшает коррозионную стойкость
Zn	≤0,2	Незначительное содержание; обычно ограничивается для снижения нежелательных эффектов
Cr	≤0,1	Уточнение зерна и контроль рекристаллизации в некоторых технологиях
Ti	≤0,2	Зерноулучшающая добавка в отливках (часто используют TiB в литейном производстве)
Прочие	Остальное Al	Следы элементов, контролируемые нормативами

Кремний формирует эвтектическую структуру, улучшающую литейные свойства и механические характеристики в состоянии отливки, в то время как магний обеспечивает упрочнение методом выделения фаз Mg2Si при солюшн тременте и старении. Контролируемые уровни железа и марганца определяют морфологию хрупких интерметаллических соединений и тем самым существенно влияют на пластичность и усталостные характеристики. Микроэлементы, такие как Ti и Cr, применяются для рафинирования зерна и контроля особенностей кристаллизации в производственных условиях.

Механические свойства

AlSi7Mg демонстрирует широкий спектр механического поведения в зависимости от способа литья, толщины сечения и термообработки. В состоянии отжига или в отливке предел прочности умеренный, но пластичность относительно высокая для литейного сплава, при этом характер разрушения чувствителен к пористости и морфологии интерметаллидов. После солюшн тремента и искусственного старения (T6) пределы текучести и прочности значительно возрастают за счёт мелких выделений Mg2Si, что достигается ценой некоторого снижения относительного удлинения.

Предел текучести в состоянии T6 зачастую позволяет использовать расчётные значения, сопоставимые с деформируемыми сплавами средней прочности, но при проектировании ответственных по усталости и на образование трещин конструкций необходимо учитывать литейные дефекты и влияние размера сечения. Твёрдость коррелирует с термообработкой: значения по Бринеллю (HBR или HBW) значительно повышаются от состояния O/T4 до T6, что улучшает износостойкость в подшипниковых и скользящих узлах. Поведение при усталости во многом зависит от состояния поверхности, степени пористости и крупности микроструктуры; применения дробеструйной обработки, рафинирование структуры затвердевания и контроль пористости водородом значительно улучшают характеристики S–N кривых.

Толщина и геометрия сечения влияют на скорость охлаждения и расстояние между ветвями дендритов, что сказывается на механических свойствах: тонкостенные отливки охлаждаются быстро, образуя более мелкую микроструктуру и высокую прочность, в то время как толстостенные детали остывают медленно и нередко требуют адаптированных режимов солюшн тремента для предотвращения мягкого ядра и неоднородностей свойств.

Свойство	O/Отожженное	Основное состояние (T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	150–210 MPa	260–340 MPa	Значения для T6 зависят от качества отливки и содержания Mg; типичные диапазоны для проектирования
Предел текучести	70–140 MPa	200–260 MPa	Предел текучести возрастает примерно в 2–3 раза от отожженного состояния до T6 при качественной отливке
Относительное удлинение	6–18%	4–12%	Удлинение снижается с ростом прочности и наличием дефектов отливки
Твёрдость (HB)	40–70 HB	80–110 HB	Твёрдость по Бринеллю увеличивается при старении; зависит от размера сечения и пористости

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2,68 г/см³	Типично для литейных алюминиево-кремниевых сплавов; незначительные вариации в зависимости от легирующих добавок
Температура плавления	~555–615 °C	Температуры солидуса и ликвидуса зависят от содержания Si и микро легирующих элементов; эвтектические особенности около 577 °C
Теплопроводность	~100–140 Вт/м·К	Ниже чем у чистого алюминия, но всё ещё хорошая для литых теплоотводящих деталей
Электропроводность	~30–38 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за легирования; подходит для отдельных проводящих применений
Удельная теплоёмкость	~870–910 Дж/кг·К	Схожа с другими алюминиевыми сплавами; зависит от температуры
Коэффициент теплового расширения	22–24 ×10⁻⁶ /К	Типичное линейное тепловое расширение при комнатной температуре; важно учитывать при конструировании соединений

AlSi7Mg сочетает относительно низкую плотность с разумной теплопроводностью, что делает сплав подходящим для применения, где важны одновременно снижение массы и эффективный теплоотвод, сохраняя при этом литьё. Диапазон затвердевания и эвтектическое поведение контролируют склонность к пористости и процессы питания; понимание этих тепловых свойств является важным для проектирования литников, охладителей и режимов термообработки. Тепловое расширение умеренное и должно учитываться при соединении со сталью или другими металлами, чтобы избежать термических напряжений в эксплуатации.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Песчано-гравитационное литьё	Переменно, от мм до сотен мм	Прочность зависит от размера сечения	O, T5, T6	Широко используется для конструкционных отливок, подходит для средних и крупных изделий
Литьё в постоянные формы / под давлением	Тонкие и средние стенки (2–20 мм)	Как правило, более мелкозернистая структура, более высокая прочность в отливке	T5, T6	Отличная поверхность и точность размеров; часто применяется в автомобильных деталях
Слиток / заготовка	До нескольких сотен мм	Гомогенизированы для последующей обработки	O, T4	Исходный материал для переплава, ковки под близкую к готовой форму и вторичного литья
Экструзия / прокатка (ограниченно)	Ограниченная возможность	Не типично; свойства деформируемого материала ниже	—	AlSi7Mg мало используется для стандартных экструзий и прокатных листов
Пруток / стержень (закалённый/холоднодеформированный)	Малые сечения	Варьируется; часто переплавляется и обрабатывается	O, T6	Поставляется для заготовок под механическую обработку; механические свойства зависят от технологии

AlSi7Mg преимущественно применяется как литейный сплав, и формы продукции отражают литейные технологии: преобладают песчано-гравитационное литьё, детали из постоянных форм и литьё под давлением. Различия в способах обработки (песчаное, литьё в постоянные формы, литьё под давлением) создают характерные микроструктуры, распределение пористости и механические свойства, поэтому инженерам следует выбирать форму и термообработку в соответствии с требованиями к конструкции и качеству поверхности. Хотя ограниченная деформируемость достигается переплавкой и гомогенизацией, традиционные экструзия и горячая прокатка редки, поскольку химический состав и эвтектическая микроструктура оптимизированы под литьё.

Аналоги марок

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA / AMS	A356 / AlSi7Mg0.3	США	A356 — хорошо известный коммерческий аналог с жёстко регламентированным содержанием Mg и ограничениями по примесям
EN	AC‑AlSi7Mg	Европа	Распространённое европейское обозначение литейного сплава; спецификации могут различаться между литейными заводами
JIS	ADC12 / аналоги A356	Япония	ADC12 — марка для литья под давлением с более высоким содержанием Cu; также применяются сплавы аналогичные A356
GB/T	AlSi7Mg	Китай	Китайские стандарты регламентируют похожие химсоставы под маркировкой AlSi7Mg

Стандарты различаются по допустимым пределам содержания Mg и Fe, а также в определениях термообработки (T6 против T61 и т.п.), поэтому для прямой замены необходимо проверить ограничения по примесям и практики старения. Для критичных применений проектировщикам рекомендуется сравнивать конкретные пределы состава, ограничения метода литья и определения термообработки для обеспечения взаимозаменяемости и прогнозирования механических и коррозионных характеристик.

Коррозионная стойкость

AlSi7Mg обладает хорошей общей атмосферной коррозионной стойкостью благодаря тонкой защитной плёнке оксида алюминия и отсутствию значительных количеств меди, которая способствует локальной коррозии. В морской и хлорсодержащей среде сплав может быть подвержен точечной и щелевой коррозии, особенно при наличии пористости или межметаллических сеток, усиливающих локальные анодные участки.

Устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением у AlSi7Mg выше, чем у прочных сплавов серий 2xxx и 7xxx, особенно при отсутствии переотверждения и при контроле пористости и содержания водорода; тем не менее, остаточные растягивающие напряжения от литья или сварки могут снизить запас прочности против коррозионного растрескивания. Гальванические эффекты также важны: при контакте с более благородными металлами (например, нержавеющей сталью) в проводящей среде AlSi7Mg действует в роли анода и корродирует предпочтительно, если не изолирован или не защищён покрытиями.

По сравнению с деформируемыми сплавами серий 5xxx и 6xxx, AlSi7Mg обычно обеспечивает сопоставимую или немного меньшую локальную коррозионную стойкость, но его литейная микроструктура и чувствительность к пористости делают качество поверхности, последующую герметизацию и защитные покрытия решающими факторами долговечности, особенно в морской среде.

Обрабатываемость

Свариваемость

Отливки из AlSi7Mg могут свариваться стандартными методами TIG (GTAW) и MIG (GMAW) при соблюдении тщательной очистки и контроле содержания водорода. Типичные сварочные присадки — алюминиево-кремниевые типы, например ER4043, подходят для кремнийсодержащих литейных сплавов, обеспечивая совместимое затвердевание и снижая риск горячих трещин; алюминиево-магниевые присадки (ER5356) применяются для повышения пластичности, но могут повысить риск пористости и трещин в металле шва при несовпадении состава. Риск горячих трещин существует в металле шва и зоне термического воздействия (ЗТВ), а также наблюдается размягчение ЗТВ и растворение осадков с локальным снижением прочности; для ответственных деталей может потребоваться последующая растворяющая и старящая термообработка.

Механическая обработка

Обрабатываемость AlSi7Mg умеренная и сильно зависит от качества литья и морфологии эвтектических частиц кремния. Для грубой и чистовой обработки рекомендуются твердосплавные инструменты с покрытиями TiN/TiAlN или без покрытия; быстрорежущая сталь подходит для вспомогательных операций. Скорости резания обычно выше, чем для сталей, но ниже, чем для легкообрабатываемых деформируемых сплавов; образование стружки прерывистое, абразивные частицы кремния ускоряют износ инструмента, поэтому важны использование СОЖ и оптимизация геометрии инструмента.

Обрабатываемость холодной деформацией

Как литейный сплав, AlSi7Mg обладает ограниченной пластичностью при холодной деформации по сравнению с деформируемыми сплавами; гибка и глубокая штамповка затруднены из-за пористости и хрупкой эвтектической кремниевой сети. Лучшие результаты при формовке достигаются в отожженном или растворяюще-старящем состояниях, однако возможности для малых радиусов ограничены, возможна трещинообразование на острых изгибах. При проектировании рекомендуется использовать литьё под близкую к готовой форму для сложных деталей и ограничивать последующую формовку до обрезки, лёгкой гибки или механической обработки.

Поведение при термообработке

AlSi7Mg подвергается упрочняющей термообработке растворением и искусственным старением для получения свойств типа T6. Типичные температуры растворяющей обработки составляют примерно 525–545 °C в течение нескольких часов в зависимости от толщины сечения для растворения фаз, содержащих Mg, и гомогенизации матрицы, с последующим быстрым охлаждением для сохранения перенасыщенного твёрдого раствора. Искусственное старение обычно проводится при 155–185 °C несколько часов для осаждения мелких дисперсных фаз Mg2Si, повышающих прочность и твёрдость.

Состояние T5 (охлаждение отливаемого состояния с последующим искусственным старением) является практичным компромиссом для производства, где полное растворение невозможно, обеспечивая разумную прочность при меньших тепловых затратах. Циклы переотверждения T7 применяются для повышения термостойкости и снижения склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением у деталей, эксплуатируемых при повышенных температурах. Тщательный контроль времени выдержки, скоростей охлаждения и режимов старения необходим для предотвращения начального расплавления в низкотемпературных эвтектических зонах и образования крупных осадков, снижающих механические свойства.

Поведение при высоких температурах

AlSi7Mg испытывает постепенное снижение прочности при высоких температурах: существенное падение предела текучести и временного сопротивления происходит выше примерно 150 °C, поэтому в конструкторской практике предельные температуры эксплуатации при постоянной нагрузке обычно значительно ниже. Ползучесть становится актуальной для длительных нагрузок при повышенных температурах, особенно у крупнозернистых или переотвержденных отливок с непрерывной эвтектической структурой. Окислительная стойкость схожа с другими алюминиевыми сплавами: естественная оксидная плёнка обеспечивает защиту; при этом образование окалины значительно меньше, чем у ферросплавов, и окисление не является критическим ограничением.

Сварка и локальное нагревание вызывают размягчение ЗТВ и возможное укрупнение микроструктуры, что снижает местную способность выдерживать высокие температуры; поэтому важно учитывать тепловой дизайн и стратегии посттермообработки для деталей, работающих в циклических или высокотемпературных условиях.

Применение

Отрасль	Пример детали	Причины использования AlSi7Mg
Автомобильная	Корпуса трансмиссий, тормозные компоненты, ступицы колёс	Отличная литьевая способность, хорошая прочность после термообработки T6, стабильность размеров
Морская	Корпуса насосов, ступицы винтов, мелкие крепёжные элементы корпуса	Умеренная коррозионная стойкость и литьевая способность для сложных геометрий
Авиакосмическая	Лёгкие конструкционные литые фитинги, несущие кронштейны неответственного назначения	Хорошее соотношение прочности к массе и управляемая термообработка для литых компонентов
Электроника	Корпусы, теплоотводящие элементы	Теплопроводность и удобство изготовления сложных литых форм для управления теплом

AlSi7Mg выбирают для изделий, где важна экономия за счёт литья под близкую к форме и умеренно высокая прочность после термообработки при достаточной коррозионной стойкости. Во многих случаях этот сплав позволяет снизить стоимость производства сложных компонентов, которые было бы дорого или невозможно изготовить из деформируемых материалов.

Советы по выбору

AlSi7Mg — сильный кандидат, если приоритетами являются литьевая способность, недорогой выпуск изделий близкой к конечной форме и упрочнение термообработкой. По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) AlSi7Mg предлагает более высокую прочность и лучшую литьеобразуемость, но уступает по электро­проводимости и несколько ограничен в пластичности при холодной обработке; поэтому он не подходит там, где требуется максимальная проводимость или значительная холодная деформация.

По сравнению с упрочнёнными сплавами, такими как 3003 или 5052, AlSi7Mg обычно обеспечивает более высокую максимальную прочность после старения T6, но может иметь немного меньшую коррозионную стойкость в агрессивных хлоридных средах; выбирайте AlSi7Mg, если конструкция требует сложного литья и высокой прочности, а не превосходной пластичности или отличной морской коррозионной стойкости деформируемых сплавов серии 5xxx.

В сравнении с распространёнными деформируемыми сплавами с возможностью термообработки, такими как 6061, AlSi7Mg может быть предпочтительнее для сложных литых геометрий и случаев, когда экономичность литья имеет более высокий приоритет, чем более высокая максимальная прочность и лучшее качество поверхности у деформируемого 6061; используйте AlSi7Mg для интегрированных литых корпусов, а 6xxx сплавы выбирайте при необходимости крупносерийной экструзии, строгих размерных допусков или большей усталостной прочности.

Итог

AlSi7Mg остаётся широко используемым инженерным литейным сплавом, поскольку сочетает в себе отличную литейность с возможностью термообработки для достижения полезных уровней прочности, приемлемой коррозионной стойкости и благоприятных тепловых свойств; такое сочетание характеристик делает его рациональным выбором для многих автомобильных, морских и промышленных литых деталей, где решающими являются точное формоизготовление и контроль затрат.